题目：固体火箭发动机燃烧与流动耦合数值仿真研究

装药燃烧和燃气流动是固体火箭发动机的两个基本工作过程，结合两者进行耦合的数值仿真是实现固体火箭发动机全系统工作过程仿真的基础。论文研究了推进剂燃烧机理、装药燃面退移以及内流场数值模拟等几方面的技术，通过固体火箭发动机工作过程仿真软件的开发将相关算法集成，最终以该软件为平台，实现了固体火箭发动机燃烧与流动耦合数值仿真。首先，装药造型和燃面退移仿真是联系固体火箭发动机燃烧过程与流动过程仿真的纽带。B样条曲线曲面造型技术非常适合解决该问题：利用B样条曲线曲面反算技术得到点云描述的装药形状的控制顶点，实现装药造型精确定义；借助正算技术获得精确定义的装药造型各顶点的法矢，进而按照各点燃速更新点云，实现非平行层燃面退移仿真。论文详细介绍了三次B样条曲线、双三次B样条曲面的正算、反算以及绘制等基本问题，并给出了B样条曲线曲面造型技术在固体火箭发动机装药造型以及燃面退移仿真中应用的具体流程。其次，为了解决燃烧与流动耦合仿真中复杂几何边界和移动边界的问题，本文对二维非结构网格划分技术和非结构动网格生成技术进行研究，采用四叉树网格划分方法实现了非结构网格划分，且所生成网格大多为正四边形。通过对边界网格的进一步处理，减少了畸变网格数量，改善了网格质量；借助最近公共祖先法实现的网格临域查询快速、准确。论文还给出了以局部网格重构方法为基础的二维非结构动网格的生成算法。同时，对应用于非结构网格上的数值求解粘性不可压缩和可压缩流动的有限体积法进行了研究，给出了非结构同位网格上实施的SIMPLE算法。对常规的不可压缩流动的SIMPLE算法进行推广改进，使其能够求解从亚声速到超声速的可压缩流动，并可以对二维轴对称以及非稳态的流动问题进行计算。论文对多个经典算例的计算结果与基准解或实验数据符合较好，证明算法准确、可信，可以进一步应用于固体火箭发动机燃烧室与喷管内的全速度统一流场求解。以该算法为基础，结合非结构动网格生成算法，实现了含有移动边界流场的数值计算。另外，复合推进剂的稳态燃烧理论是本文研究的又一重点，论文对粒状扩散火焰模型（GDF模型）、多火焰模型（BDP模型）和微元火焰综合模型（PEM模型）这三个经典的模型进行了分析比较，选用PEM模型作为推进剂燃速计算的理论模型，研究了燃速计算过程，并以此模型为基础编制燃速计算程序，该程序可以充分考虑到推进剂组分和燃气参数对燃速的影响。以燃烧理论为基础，论文进一步对端面燃烧的固体火箭发动机中经常发生的固体装药燃速畸变现象的机理进行研究。总结了现有的资料以及实验结果，重点对靠近燃烧室壳体壁面附近的推进剂中增塑剂、固化剂等组分的迁移以及细氧化剂聚集等可能引发固体装药燃速畸变的因素进行了分析讨论，认为固体装药燃速畸变现象产生的最为根本的原因在于壁面附近的氧化剂颗粒浓度高于中心区域而氧化剂平均粒度低于中心区域，并辅助以PEM模型燃速计算程序对其进行定量地分析验证。在以上研究工作基础之上，借助计算机辅助造型（CAGD）、计算机辅助工程（CAE）和软件工程技术，以模块化思想设计开发了固体火箭发动机工作过程仿真软件（SOPS）。SOPS软件具有良好可扩展性和兼容性，它将燃烧、流动以及燃面退移三方面的基础技术进行了集成，并最终构建成为以实体模块、绘图模块和仿真模块等五大功能模块为核心的软件平台。该软件平台为实现燃烧与流动耦合仿真提供了基础。论文具体对SOPS软件的整体架构、各模块的数据结构以及软件的主要功能进行了详细介绍。利用SOPS软件调用燃烧、流动以及退移等基础技术，管理仿真数据，控制仿真流程，最终实现了固体火箭发动机燃烧与流动实时的、耦合的仿真。论文以端面燃烧固体火箭发动机工作过程为研究对象，使用经验公式和PEM模型两种方法计算推进剂燃速，分别对考虑和不考虑燃面退移两种情况进行仿真计算；在使用PEM模型计算推进剂燃速进行仿真计算时，根据燃速畸变现象的研究结论假设了推进剂中氧化剂浓度与粒度的分布，并分别对这些情况进行仿真计算，计算结果合理、可信。通过对计算结果的分析，揭示了燃速畸变现象中燃烧与流动过程之间的耦合作用，进一步证实了推进剂中氧化剂浓度和粒度的分布差异是导致该现象发生的主要因素。综上所述，本文对装药造型及燃面退移、燃烧理论、流场仿真三个方面关键技术进行研究，开发了固体火箭发动机工作过程仿真软件，实现了固体火箭发动机燃烧与流动实时的、耦合的仿真。论文的研究工作对进一步实现固体火箭发动机工作过程全系统数值仿真打下了重要的技术基础。